In unserem Universum scheint das Spiegelbild der linken Hand die rechte Hand zu sein. Die meisten Naturgesetze sind symmetrisch in Bezug auf Spiegelreflexionen und befolgen dieselben Gesetze - mit Ausnahme schwacher Wechselwirkungen. Aus irgendeinem Grund interagieren nur linkshändige Partikel schwach, nicht jedoch rechtshändige.
Bewegen Sie Ihre Hand in den Spiegel und Ihr Spiegelbild winkt Ihnen zurück. Dies geschieht jedoch mit der anderen Hand als der von Ihnen verwendeten. Für die meisten von uns ist dies kein Problem - wir können andererseits winken, und die Reflexion wird wiederum das Gegenteil winken. Für das Universum funktionieren einige Wechselwirkungen jedoch nur für linkshändige Partikel - insbesondere für Partikel, die schwache Wechselwirkungen erfahren . Egal wie wir gesucht haben, wir konnten ihre rechtsseitigen Versionen nicht finden.
Aber warum? Wo hat das Universum eine solche Qualität und warum manifestiert es sich nur bei schwacher Interaktion? Schließlich sind starke elektromagnetische und Gravitationswechselwirkungen in Bezug auf Konfigurationen auf der linken und rechten Seite ideal symmetrisch. Diese Tatsache in der Wissenschaft wurde in vielen Experimenten verifiziert, und neue Experimente werden bereits für eine noch tiefere Verifikation vorbereitet. Und obwohl es durch die Physik des Standardmodells gut beschrieben wird, weiß niemand wirklich, warum das Universum so funktioniert. Folgendes wissen wir bisher.
Die Überwindung der Quantenbarriere wird als Tunneleffekt bezeichnet . Dies ist eine der seltsamen Eigenschaften der Quantenmechanik. Die Quantenteilchen selbst haben auch ihre inhärenten Eigenschaften - Masse, Ladung, Spin -, die sich nach Messungen nicht ändern.
Stellen Sie sich als Partikel vor. Sie bewegen sich durch den Raum, Sie haben bestimmte Quanteneigenschaften wie Masse und Ladung. Und Sie haben nicht nur den Drehimpuls in Bezug auf alle Partikel (und Antiteilchen) um sich herum, sondern auch Ihren inneren Drehimpuls in Bezug auf die Richtung Ihrer Bewegung - Spin . Ihre Eigenschaften bestimmen wie Partikel vollständig, welche Art von Partikel Sie sind.
Mit Ihren Händen können Sie sich zwei Versionen von sich vorstellen - Linkshänder und Rechtshänder. Zeigen Sie zuerst mit beiden Daumen auf eine Seite - auf beide Seiten, aber auf eine. Drücken Sie den Rest Ihrer Finger. Wenn Sie nun die Daumen so betrachten, dass sie auf Sie gerichtet sind, werden Sie sehen, wie sich die Rücken unterscheiden - alle linkshändigen Partikel "drehen" sich unter diesem Gesichtspunkt im Uhrzeigersinn [Spin ​​ist gegen die Bewegung gerichtet] und rechtshändige gegen den Uhrzeigersinn [Spin ​​ist gerichtet] durch Bewegung].
Die linkshändige Polarisation ist 50% der Photonen inhärent, und die rechtshändige Polarisation ist den anderen 50% inhärent. Wenn ein Partikelpaar (oder ein Partikel-Antiteilchen-Paar) erzeugt wird, werden ihre Spins (ihr innerer Drehimpuls) immer summiert, während der gesamte Drehimpuls des Systems beibehalten wird. Sie können nichts tun, um die Polarisation eines masselosen Teilchens wie eines Photons zu ändern.
Die meiste Zeit kümmern sich Physiker nicht um Ihren Spin - alle Gesetze und Regeln bleiben gleich. Die Oberseite folgt den gleichen Gesetzen der Physik, unabhängig davon, ob sie sich im oder gegen den Uhrzeigersinn dreht. Der Planet folgt den gleichen Regeln, er dreht sich um eine Achse entlang oder gegen die Bewegungsrichtung in der Umlaufbahn. Ein "sich drehendes" Elektron, das in einem Atom auf das niedrigere Energieniveau gelangt, emittiert ein Photon unabhängig von der Richtung seines Spins. Unter fast allen Umständen sollen die Gesetze der Physik links-rechts-symmetrisch sein .
"Spiegelsymmetrie" ist eine von drei grundlegenden Symmetrieklassen, die auf Teilchen und die Gesetze der Physik angewendet werden können. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts glaubten wir, dass es immer konservierte Symmetrien gab, von denen drei waren:
- Die Symmetrie der räumlichen Parität (P), nach der die Gesetze der Physik für Teilchen und für ihre Spiegelreflexionen gleich sind.
- Ladungssymmetrie ©, nach der die Gesetze der Physik für Teilchen und Antiteilchen gleich sind.
- Symmetrie in Bezug auf die Zeitumkehr (T), nach der sich die Gesetze der Physik nicht ändern, je nachdem, ob sich das System zeitlich vorwärts oder rückwärts bewegt.
Nach allen klassischen Gesetzen der Physik sowie der allgemeinen Relativitätstheorie und sogar der Quantenelektrodynamik bleiben diese Symmetrien immer erhalten.
Die Natur ist nicht symmetrisch fĂĽr Partikel / Antiteilchen, fĂĽr Spiegelreflexionen von Partikeln oder fĂĽr alle diese Eigenschaften gleichzeitig. Vor der Entdeckung von Spiegelsymmetrie-brechenden Neutrinos waren nur schwach wechselwirkende Teilchen potenzielle P-Symmetrie-Brecher.
Aber um sicherzustellen, dass das Universum für all diese Transformationen wirklich symmetrisch ist, müssen Sie sie auf jede mögliche Weise testen. Der erste Hinweis darauf, dass etwas mit diesem Bild nicht stimmte, kam 1956, als wir erstmals Neutrinos experimentell entdeckten. Dieses Teilchen wurde bereits 1930 von Wolfgang Pauli in Form eines winzigen neutralen Quanten eingeführt, das während des radioaktiven Zerfalls Energie abführen kann. Nach einer solchen Ankündigung beklagte sich der oft zitierte Pauli: „Ich habe etwas Schreckliches getan. Ich postulierte die Existenz eines Partikels, das nicht nachgewiesen werden kann. "
Da vorhergesagt wurde, dass Neutrinos mit gewöhnlicher Materie interagieren, der Querschnitt vernachlässigbar ist, sah Pauli keine realistischen Möglichkeiten, sie nachzuweisen. Nach einigen Jahrzehnten konnten die Wissenschaftler jedoch nicht nur das Atom spalten - Kernreaktoren waren an der Tagesordnung. Laut Pauli sollten diese Reaktoren große Mengen an Neutrino-Antiteilchen produzieren - Antineutrinos. In der Nähe des Kernreaktors wurde ein Detektor gebaut, und das erste Antineutrino wurde 1956, 26 Jahre später, entdeckt.
Frederick Reineslinks und Clyde Cowan rechts an den Kontrollen des Savannah River-Experiments, bei dem 1956 das elektronische Antineutrino entdeckt wurde. Alle Antineutrinos sind Rechtshänder und alle Neutrinos sind ausnahmslos Linkshänder. Während das Standardmodell all dies genau beschreibt, gibt es keinen fundamentalen Grund dafür.
An diesen Neutrinos wurde jedoch etwas Interessantes bemerkt: Alle waren ausnahmslos Rechtshänder, ihr Spin war entlang ihrer Bewegung gerichtet. Später fanden wir auch Antineutrinos und stellten fest, dass sie alle Linkshänder waren, mit Rückwärtsdrehung.
Es scheint, dass solche Messungen unmöglich sind. Wenn Neutrinos (und Antineutrinos) so schwer zu erkennen sind, weil sie sehr selten mit anderen Partikeln interagieren, wie können wir dann überhaupt ihre Spins messen?
Tatsache ist, dass wir ihren Spin nicht als Ergebnis direkter Messungen lernen, sondern als Ergebnis der Untersuchung der Eigenschaften von Partikeln, die nach der Wechselwirkung auftreten. Dies tun wir mit allen Teilchen, die wir nicht direkt messen können, einschließlich des Higgs-Bosons, dem einzigen heute bekannten Spin-Null-Grundteilchen.
Higgs-Boson-Zerfallskanäle - vom Standardmodell beobachtet und vorhergesagt. Enthält die neuesten Daten aus ATLAS- und CMS-Experimenten. Unglaublicher Zufall, aber auch enttäuschend. Bis in die 2030er Jahre wird der LHC etwa 50-mal mehr Daten gesammelt haben, aber die Genauigkeit in vielen Abklingkanälen wird immer noch auf dem Niveau einiger Prozent bleiben. Der neue Kollider könnte die Genauigkeit um viele Größenordnungen erhöhen und möglicherweise die Existenz neuer Partikel entdecken.
Wie es gemacht wird?
Das Higgs-Boson zerfällt manchmal in zwei Photonen, deren Spin +1 oder -1 sein kann. Daraus folgt, dass der Spin des Higgs-Bosons 0 oder 2 sein kann, da dies die Summe oder Differenz der Spins der Photonen ist. Andererseits zerfällt das Higgs-Boson manchmal in ein Quark / Antiquark-Paar, von dem jedes einen Spin von + ½ oder –½ hat. Addiert man sie und subtrahiert man sie zu 0 oder 1. Eine dieser Messungen würde uns nicht den Spin des Higgs-Bosons geben, aber zusammen lassen sie nur einen möglichen Wert, 0.
Ähnliche Technologien wurden verwendet, um den Spin von Neutrinos und Antineutrinos zu messen, und es überrascht die meisten Wissenschaftler, dass das Universum und seine Spiegelreflexion nicht dasselbe sind. Wenn Sie einen Spiegel vor ein linkshändiges Neutrino stellen, ist seine Reflexion rechtshändig - wie im Fall der linken Hand, die direkt im Spiegel zu sein scheint. In unserem Universum gibt es jedoch keine rechtshändigen Neutrinos, genauso wie es keine linkshändigen Antineutrinos gibt. Aus irgendeinem Grund kümmert sich das Universum.
Wenn Sie ein Neutrino oder Antineutrino fangen, das sich in eine bestimmte Richtung bewegt, werden Sie feststellen, dass sich sein innerer Drehimpuls entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn dreht, je nachdem, ob es sich um ein Neutrino oder ein Antineutrino handelt.
Wie kann man das alles verstehen?
Die Theoretiker Li Zhengdao und Yang Zhenning kamen auf die Idee der Paritätsgesetze und zeigten, dass Parität zwar eine perfekte Symmetrie zu sein scheint, die in starken und elektromagnetischen Wechselwirkungen erhalten bleibt, in schwachen jedoch nicht richtig getestet wurde. Schwache Wechselwirkungen treten auf, wenn sich während des Zerfalls ein Teilchen in ein anderes verwandelt - ein Myon verwandelt sich in ein Elektron, ein seltsamer Quark in einen aufwärts gerichteten, ein Neutron in ein Proton (wenn einer seiner abwärts gerichteten Quarks zerfällt und sich in einen aufwärts gerichteten verwandelt).
Wenn die Parität erhalten bleibt, sind die schwachen Wechselwirkungen (alle und jede) für linksseitige und rechtsseitige Partikel gleich. Bei einer Verletzung würden schwache Wechselwirkungen nur mit linkshändigen Partikeln auftreten. Wenn es nur möglich wäre, dies experimentell zu überprüfen ...
Wu Jianxiong links ist ein bemerkenswerter und herausragender Experimentalphysiker. Sie machte viele wichtige Entdeckungen, die mehrere wichtige theoretische Vorhersagen bestätigten (oder widerlegten). Sie wurde nie mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
1956 nahm Wu Jianxiong eine Probe von Cobalt-60, einem radioaktiven Isotop von Cobalt, und kühlte es auf nahezu Null ab. Es ist bekannt, dass Cobalt-60 während des Beta-Zerfalls in Nickel-60 umgewandelt wird. Eine schwache Wechselwirkung wandelt eines der Neutronen im Kern in ein Proton um, bei dem ein Elektron und ein Antineutrino emittiert werden. Durch Anlegen eines Magnetfelds an Kobalt können die Spins aller Atome ausgerichtet werden.
Wenn die Parität erhalten würde, wäre es möglich zu beobachten, dass beide emittierten Elektronen - auch als Beta-Teilchen bekannt - sowohl parallele als auch antiparallele Spins aufweisen. Wenn die Parität verletzt würde, wären alle emittierten Elektronen antiparallel. Das enorme Ergebnis von Wus Experiment war nicht nur, dass alle emittierten Elektronen antiparallel waren, sondern dass sie theoretisch so antiparallel wie möglich waren. Einige Monate später schrieb Pauli in einem Brief an Victor Weisskopf : "Ich kann nicht glauben, dass Gott ein schwacher Linkshänder ist."
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An der schwachen Wechselwirkung sind jedoch nur linkshändige Partikel beteiligt - zumindest nach unseren Messungen. In diesem Zusammenhang stellt sich eine interessante Frage, an der wir noch keine Messungen durchgeführt haben: Wenn Photonen an einer schwachen Wechselwirkung beteiligt sind, spielen sowohl linkshändige als auch rechtshändige Photonen eine Rolle oder nur linkshändige? Zum Beispiel verwandelt sich ein entzückender Quark (b) in schwachen Wechselwirkungen in einen seltsamen Quark, was normalerweise ohne die Beteiligung von Photonen geschieht. Ein winziger Teil der B-Quarks, weniger als 1 von tausend, wird jedoch mit der Emission eines Photons zu einem S-Quark. Das Phänomen ist selten, aber Sie können es studieren.
Es wird erwartet, dass ein solches Photon immer Linkshänder sein sollte. Wir glauben, dass die Parität im Standardmodell so funktioniert (schwache Wechselwirkungen). Wenn sich das Photon jedoch manchmal als Rechtshänder herausstellt, tritt in unserem derzeitigen Verständnis der Physik ein weiterer Riss auf. Unter den Vorhersagen der Ergebnisse eines solchen Zerfalls sind die folgenden:
- unerwartete Polarisation eines Photons,
- der Prozentsatz der verschiedenen Zerfallsfälle, der sich von den erwarteten unterscheidet,
- Verletzung der CP-Invarianz .
Das Beste daran ist, dass solche Möglichkeiten durch die LHCb-Zusammenarbeit am CERN untersucht werden können. Kürzlich haben sie die strengste Grenze für die Möglichkeit rechtshändiger Photonen gesetzt. Wenn die Grafik unten als Ergebnis weiterer Experimente so gekrümmt ist, dass sie den Ursprung (0, 0) nicht mehr enthält, bedeutet dies, dass wir eine neue Physik entdeckt haben.
Der Real- und Imaginärteil der rechtshändigen (C7-prime) und linkshändigen (C7) Wilson-Koeffizienten in der Teilchenphysik muss um den Punkt (0, 0) bleiben, damit das Standardmodell korrekt bleibt. Messungen verschiedener Zerfälle mit B-Quarks und Photonen tragen dazu bei, diesen Bedingungen die strengsten Beschränkungen aufzuerlegen. In naher Zukunft droht die LHCb-Zusammenarbeit, noch genauere Messungen durchzuführen.
Wir können definitiv sagen, dass das Universum in Bezug auf Spiegelbilder, den Ersatz von Partikeln durch Antiteilchen und die Zeitrichtung, in der sich Prozesse entfalten, ideal symmetrisch ist - für alle Wechselwirkungen und Kräfte außer einer. Bei schwachen Wechselwirkungen und nur bei ihnen bleiben diese Symmetrien nicht erhalten. Alle Messungen, die wir durchgeführt haben, zeigen, dass Pauli heute ratlos geblieben wäre. 60 Jahre nach der ersten Entdeckung des Symmetriebrechens scheinen schwache Wechselwirkungen nur mit linkshändigen Partikeln verbunden zu sein.
Da Neutrinos Masse haben, wäre eines der erstaunlichsten Experimente eines, bei dem wir der Lichtgeschwindigkeit sehr nahe kommen könnten. Dann würden wir das linkshändige Neutrino überholen, so dass sich sein Spin aus unserer Sicht in den entgegengesetzten ändert. Würde ein Partikel plötzlich die Eigenschaften eines rechtshändigen Antineutrinos zeigen? Oder würde es rechtshändig werden und sich trotzdem wie ein Neutrino verhalten? Welche Eigenschaften es auch haben mag, es könnte uns neue Informationen über die fundamentale Natur des Universums enthüllen. Bis zu diesem Tag wären indirekte Messungen unsere beste Gelegenheit, um herauszufinden, ob das Universum wirklich so linkshändig ist, wie es uns scheint. Ein solches Experiment läuft derzeit am CERN, wo nach einem doppelten neutrinolosen Beta-Zerfall gesucht wird .